Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Prinsip Kerja Sel Surya Berbasis Sambungan P-N

Sel surya merupakan suatu perangkat semikonduktor yang dapat menghasilkan listrik jika diberikan sejumlah energi cahaya. Proses penghasilan energi listrik itu diawali dengan proses pemutusan ikatan elektron pada atom-atom yang tersusun dalam kristal semikonduktor ketika diberikan sejumlah energi (hf). Salah satu bahan semikonduktor yang biasa digunakan sebagai sel surya adalah kristal silikon. Mari kita ulas secuil prinsip kerja sel surya berbahan dasar silikon ini, terutama sel surya berbasis sambungan p-n.

Semikondukter tipe-p dan tipe-n

Ketika suatu kristal silikon dikotori dengan unsur golongan kelima, misalnya arsen, atom-atom arsen akan menempati ruang di antara atom-atom silikon yang memunculkan elektron bebas pada material campuran itu. Elektron bebas tersebut berasal dari kelebihan elektron yang dimiliki oleh arsen terhadap lingkungan sekitarnya, dalam hal ini adalah silikon. Semikonduktor jenis ini kemudian diberi nama semikonduktor tipe-n.

Sketsa penampang dua dimensi dari kristal silikon.

Sketsa penampang dua dimensi dari kristal silikon.

 

Semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).

Semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).

Hal yang sebaliknya terjadi jika kristal silikon dikotori oleh unsur golongan ketiga, misalnya boron. Kekurangan elektron valensi boron dibandingkan dengan silikon mengakibatkan munculnya hole yang bermuatan positif pada semikonduktor tersebut. Semikonduktor ini dinamakan semikonduktor tipe-p. Baik pada semikonduktor tipe-n ataupun tipe-p, pembawa muatan akan dihasilkan lebih banyak ketika sejumlah energi tertentu diberikan pada semikonduktor tersebut. Tergantung dari jenis pembawa muatan yang ingin “diberdayakan”, dengan kata lain kita bisa menyusun suatu perangkat elektronik tertentu, terutama dengan memanfaatkan posisi tingkat energi Fermi yang bergeser.

Diagram pita energi semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).

Diagram pita energi semikonduktor tipe-p (kiri) dan tipe-n (kanan).

Sambungan p-n

Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n disambungkan, akan terjadi difusi hole dari tipe-p menuju tipe-n dan difusi elektron dari tipe-n menuju tipe-p. Proses difusi tersebut akan meninggalkan daerah yang lebih positif pada batas tipe-n dan daerah lebih negatif pada batas tipe-p. Batas tempat terjadinya perbedaan muatan pada sambungan p-n disebut dengan daerah deplesi.

Adanya perbedaan muatan pada daerah deplesi akan mengakibatkan munculnya medan listrik yang mampu menghentikan laju difusi selanjutnya. Medan listrik tersebut mengakibatkan munculnya arus drift. Namun arus ini terimbangi oleh arus difusi sehingga secara keseluruhan tidak ada arus listrik yang mengalir pada semikonduktor sambungan p-n tersebut.

 Diagram energi sambungan p-n dan munculnya daerah deplesi.

Diagram energi sambungan p-n dan munculnya daerah deplesi.

Lantas, bagaimana elektron-elektron yang terlepas dari atom-atom pada kristal semikonduktor dapat mengalir sehingga menimbulkan energi listrik? Mungkin teman-teman sudah ketahui, elektron adalah partikel bermuatan yang dipengaruhi oleh medan listrik. Kehadiran medan listrik pada elektron dapat mengakibatkan elektron bergerak. Hal inilah yang dilakukan pada sel surya sambungan p-n, yaitu dengan menghasilkan medan listrik pada sambungan p-n agar elektron dapat mengalir akibat kehadiran medan listrik tersebut.

Kurva arus (I) dan tegangan (V) sel surya pada keadaan gelap dan diberikan cahaya.

Kurva arus (I) dan tegangan (V) sel surya pada keadaan gelap dan diberikan cahaya.

Ketika semikonduktor sambungan p-n disinari cahaya dengan energi hf, pelepasan elektron dan hole dapat terjadi pada semikonduktor tersebut. Proses terlepasnya pembawa muatan tersebut mengakibatkan penambahan kuat medan listrik di daerah deplesi. Adanya kelebihan muatan ini akan mengakibatkan muatan ini bergerak karena adanya medan listrik pada daerah deplesi. Pada keadaan ini, arus drift lebih besar daripada arus difusi sehingga secara keseluruhan dihasilkan arus berupa arus drift, yaitu arus yang dihasilkan karena kemunculan medan listrik. Arus inilah yang kemudian dimanfaatkan oleh sel surya sambungan p-n sebagai arus listrik.

Bahan bacaan:

Penulis:
Ady Iswanto, Senior Analyst di PT. Indosat Ooredoo, alumnus Jurusan Fisika ITB.